WO2006133892A1 - Verfahren und anlage zur detektion einer leckage - Google Patents

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    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
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    • G01M3/28—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors for pipes, cables or tubes; for pipe joints or seals; for valves ; for welds
    • G01M3/2807—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by measuring rate of loss or gain of fluid, e.g. by pressure-responsive devices, by flow detectors for pipes, cables or tubes; for pipe joints or seals; for valves ; for welds for pipes

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting a leakage in a line of a flowing medium to a consumer by means of a sensor, and a system for this purpose.
  • Gas flow in a line between two line positions eg. Between a shut-off valve and a consumer described.
  • the flow rate of the gas stream is determined at the first and second line position and both flow rates compared. at
  • Object of the present invention is to provide a method and a system of o. To develop a way of detecting leaks in a simple way.
  • This invention is intended to be used in conjunction with the use of existing gas meters, but can also be used in conjunction with a gas meter operating according to the same measuring principle.
  • the phase difference of the transmission signal and the reception signal ie, the associated time is determined for the measurement purposes.
  • the mass flow of a gas is measured. If necessary, a required calibration curve can be determined in a specially developed calibration procedure.
  • the sensor proves to be insensitive to the composition of the flowing medium, in particular the gas and its moisture content, and over a wide range as insensitive to the gas temperature.
  • wires with a relatively large diameter of 18 microns are used to detect the thermal time constant of the wires and thus to obtain a high measuring range.
  • the sensitivity at low gas velocities is achieved, which is essential for the measurement of small mass flows of gases, to create a gas leakage detector based on the sensor.
  • the senor is integrated to determine a flow rate in the quantity measuring device itself.
  • the sensors are located in the normal removal of the gas for the operation of gas-fired devices, the wires of the leakage meter out of service. If the consumer is switched off, the sensor described above is addressed and can record its speed measurement in the event of gas leakage. This can be done in The same channel happen, which is disadvantageous that this channel has a too high cross-section for the actual gas flow measurement. For this reason, it is preferable to provide the quantity measuring device separate from the sensor.
  • the senor is preferably connected in a bypass around the quantity measuring device. This means that as soon as the consumer is switched off, a corresponding valve switches the gas line to the sensor, so that the way to the quantity measuring device is interrupted. Now a sensor with a very low average can be used, which ensures that smallest amounts of flowing medium are determined by the phase shift of the signals of the wires. This measurement signal allows measurements of very small mass flows.
  • the present invention has the advantage that any diaphragm gas meter can be provided with a leakage detector connected to a two-way valve.
  • the leakage detection system according to the invention in its basic version is applicable to all diaphragm gas meters in use or also in connection with gas meters which operate according to other measuring principles.
  • the valve switches from the regular gas meter to the detection unit to determine if small leakage flows are occurring outside the meter's range. Since the measuring range of the sensor is at least one order of magnitude below that of the gas meter, leakage detection with very small mass flows is possible.
  • the device should also be expandable in order to carry out gas acceptance measurements in the lower area. As a result, the system is more versatile. figure description
  • Figure 1 is a diagram of the heating energy demand in a typical
  • Figure 2 is a schematic representation of the inventive system for detecting a leak in a conduit of a flowing medium
  • Figure 3 is a plan view of an embodiment of a gas meter
  • Figure 4 shows a cross section through the gas meter according to Figure 3 along line IV-IV;
  • FIG. 5 shows a cross section through a gas leakage detector.
  • FIG. 1 shows the heating energy requirement of a typical household. It becomes clear that, in particular, outside the heating period in the time from 10 pm to 5 am all appliances are switched off from the gas supply. This period is especially suitable for gas leakage detection.
  • the flowing medium is supplied in a line 1 from a source not shown in detail a consumer 2.
  • a two-way valve 3 is switched on in the line 1, which divides the line 1 into two branch lines 4.1 and 4.2.
  • the branch line 4.1 leads to a quantity measuring device 5, while the branch line 4.2 leads to a sensor 6.
  • Corresponding output lines 7.1 and 7.2 from the quantity measuring device 5 and the sensor 6 reunite to a line 1.1, to which the consumer 2 connects.
  • the consumer 2 is z. B. a gas burner.
  • the line 1, 1.1 is a conventional household gas line.
  • a gas meter 5 is turned on as a quantity measuring device.
  • This gas meter 5 has a housing 8 with a display 9 for the diameter measuring gas.
  • the amount of gas flows through a nozzle-like tapered channel section 10 and after the sensor 6, a again widening channel section 11, wherein in this "in-line variant" of the sensor 6, both the measurement of the spent gas and the measurement of gas leaks with consumers off For this reason, the constriction between the tapered channel section 10 and the re-opening channel section 11 is still relatively large.
  • the sensor 6 is provided in a separate gas leakage detector 12.
  • This gas leakage detector 12 is provided to be arranged in parallel, for example in the bypass 4.2, 7.2 around the gas meter 5 around.
  • the nozzle-shaped configuration of the gas supply channel can be seen, wherein the sensor 6 is disposed near the point of greatest constriction.
  • the diameter is about 2 mm.
  • the sensor with about 0.5 mm to 2 mm wire length of the gas stream is supplied in a range of U> 5cm / s. Gas measurements of less than one liter per hour are possible.
  • the leakage detector 12 is informed about the shutdown. If gas still flows anyway, this flow is detected by the sensor 6.
  • the sensor uses a diffusion and flow velocity of the gas stream. A thin wire is heated periodically. The heat released is carried downstream with the flow of gas where another wire is attached. The phase difference of the transmission signal and the reception signal, ie the associated time, is determined. If a phase difference emerges, this means that gas is flowing through a leak.
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Abstract

Bei einem Verfahren zur Detektion einer Leckage in einer Leitung (1 , 1.1 ) eines strömenden Mediums zu einem Verbraucher (2) mittels eines Sensors (6) soll im Zustand der Abschaltung aller gasbetriebener Verbraucher (2) mit dem Sensor (6) eine Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung (1 , 1.1 ) ermittelt werden.

Description

Verfahren und Anlage zur Detektion einer Leckage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Leckage in einer Leitung eines strömenden Mediums zu einem Verbraucher mittels eines Sensors, sowie eine Anlage hierfür.
Stand der Technik
In der Bundesrepublik Deutschland nimmt die Nutzung von Gas beträchtlich zu, das über ein gut ausgebautes Fernleitungsnetz bereitgestellt wird und heute hauptsächlich aus Erdgas besteht. Als Grossabnehmer sind regionale und kommunale Gesellschaften tätig, die wiederum die Zuteilung des Erdgases an einzelne Haushalte und Betriebe vornehmen. Dort erfolgt die Nutzung des
Erdgases, und die Abrechnung mit den Zulieferern erfolgt über die Messung der Gasmenge durch geeignete Gaszähler, deren Entwicklung weit vorangeschritten ist. Bei der Gasmesstechnik haben sich sogenannte Balgenmesszähler durchgesetzt. Die Versorgung von Haushalten und Betrieben mit Gas ist damit sichergestellt und die Abrechnung des Gasmengenverbrauchs über geeignete Gaszähler geregelt. Allerdings bleiben Fragen der Sicherheit offen, die mit der Gasnutzung zusammenhängen.
In der Bundesrepublik Deutschland erfolgt jährlich eine Reihe von Unfällen, die auf Leckagen in Gasleitungen zurückzuführen sind. Die dadurch entstandenen
Schäden treten anzahlmässig nicht oft auf, führen jedoch dazu, dass in einem Grossteil der Bevölkerung eine überhöhte Angst vorliegt, Gas im
Haushaltsbereich zur Anwendung zu bringen. Es setzt sich, vor allem im
Hinblick auf steigende Gaspreise die Kenntnis durch, dass eine Ausweitung der
Gasnutzung im Haushaltsbereich, z.B. zum Kochen und Heizen, nur dann erreichbar wird, wenn beachtliche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, die auch die Leckagedetektion von Gas aus Zuführleitungen umfassen. Dies macht die Bereitstellung von Leckagedetektoren erforderlich und deren
Integration in Detektionssysteme, die sicherstellen, dass die gewünschte erhöhte Sicherheit nicht nur gewährleistet, sondern von der Bevölkerung auch verstanden wird.
Der Betrieb von Haushaltsgasanlagen, die mit Gas betrieben werden, ist zulässig, solange die Leckage den Grenzwert von 11/h nicht überschreitet. Da der Messbereich der herkömmlichen Haushaltsgaszähler oberhalb dieses Wertes von 0,001 m3 /h liegt, lassen diese sich nicht zur Leckagedetektion einsetzen. Aus diesem Grund wird Leckage in Haushaltsgasleitungen bisher zumeist Offline getestet, d. h., das System muss ausser Betrieb gesetzt werden, um eine Hochdruckprüfung durchführen zu können. Bestehende Onlinemessverfahren basieren auf der Detektion des austretenden Gases und sind bis jetzt nicht mit ausreichender Genauigkeit erhältlich. Dies stellt eine beachtliche Einschränkung der Gasleckagedetektion dar und bedingt somit eine Reduktion der Sicherheit des Einsatzes von Gasgeräten im Haushaltsbereich, aber auch beim Einsatz von Gasgeräten in der Produktionl Bspw. in der WO 02/065084 wird ein Verfahren zum Überwachen eines
Gasstromes in einer Leitung zwischen zwei Leitungspositionen, bspw. zwischen einem Absperrventil und einem Verbraucher beschrieben. Dabei wird an der ersten und zweiten Leitungsposition die Durchflussmenge des Gasstroms ermittelt und beide Durchflussmengen miteinander verglichen. Bei
Überschreitung eines vorbestimmten Differenzwertes zwischen den beiden ermittelten Durchflussmengenwerten wird der Gasstrom abgeschaltet oder ein
Alarm ausgelöst. Dieses Verfahren scheitert bislang daran, dass es keine Sensoren gibt, die derart geringe Gasmengen messen können.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage der o. g. Art zu entwickeln, mit der auf einfache Art und Weise die Detektion einer Leckage möglich ist. Diese Erfindung soll in Verbindung mit dem Einsatz bestehender Gaszähler zur Anwendung gebracht werden können, aber auch in Verbindung mit einem nach demselben Messprinzip arbeitenden Gaszähler Einsatz finden.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass im Zustand der Abschaltung aller gasbetriebener Verbraucher mit dem Sensor eine Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung ermittelt wird.
Der Zustand der Abschaltung der Verbraucher liegt oftmals in Haushalten in Nachtstunden beim Betrieb von Gasanlagen vor. Es ist aber auch möglich, den Messzustand für die hier vorgeschlagene Gasleckagedetektion durch gezieltes Abschalten aller gasbetriebener Geräte herzustellen, so dass dann, bei Vorliegen einer Leckage, nur die Leckagegasmenge gemessen werden kann. Anders als bei der Messung von Mengen des strömenden Gases in der Zuführleitung zu einem Gebäude, gibt es Sensoren, welche auch schon eine geringe Strömungsgeschwindigkeit ermitteln. Zu erwähnen ist hier insbesondere ein Sensor, wie er in der EP 1 038 160 B1 beschrieben wird. Dieser Sensor nutzt die Diffusions- und Strömungsgeschwindigkeit eines Gasstromes und deren Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit für Messungen von Gasmassen aus. Ein dünner Draht wird dabei periodisch erhitzt und gibt seine Wärme in das strömende Medium ab. Die abgegebene Wärme wird mit der Strömung stromabwärts getragen, wo ein weiterer Draht vorgesehen ist. Die Phasendifferenz des Sendesignals und des Empfangssignals, d. h., die zugehörige Zeit wird für die Messzwecke bestimmt. Gemessen wird der Massenstrom eines Gases. Falls notwendig kann eine dazu benötigte Kalibrierkurve in einem eigens dafür entwickelten Kalibrierverfahren bestimmt werden. Der Sensor erweist sich als unempfindlich gegenüber der Zusammensetzung des strömenden Medium, insbesondere des Gases und dessen Feuchtegehalt, und über weite Bereiche auch als unempfindlich gegenüber der Gastemperatur.
Bevorzugt werden Drähte mit einem relativ grossen Durchmesser von 18μm verwendet, um die thermische Zeitkonstante der Drähte mit zu erfassen und somit einen hohen Messbereich zu erhalten. Insbesondere die Empfindlichkeit bei kleinen Gasgeschwindigkeiten wird so erreicht, welche für die Messung kleiner Massenströme von Gasen wesentlich ist, um einen Gasleckagedetektor auf der Basis des Sensors zu erstellen.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daran gedacht, dass der Sensor zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit in der Mengenmesseinrichtung selbst integriert ist. Bspw. befinden sich bei der normalen Entnahme des Gases für den Betrieb von gasgefeuerten Geräten die Drähte des Leckagemessgerätes ausser Betrieb. Wird der Verbraucher abgeschaltet, so wird der oben beschriebene Sensor angesprochen und kann seine Geschwindigkeitsmessung bei einer Gasleckage aufnehmen. Dies kann in demselben Kanal geschehen, wobei nachteilig ist, dass dieser Kanal für die eigentliche Gasmengenmessung einen zu hohen Querschnitt aufweist. Aus diesem Grunde ist bevorzugt die Mengenmesseinrichtung von dem Sensor getrennt vorzusehen.
Hierzu ist bevorzugt der Sensor in einem Bypass um die Mengenmesseinrichtung herum geschaltet. Das bedeutet, dass, sobald der Verbraucher abgeschaltet wird, ein entsprechendes Ventil die Gasleitung auf den Sensor schaltet, so dass der Weg zur Mengenmesseinrichtung unterbrochen ist. Nunmehr kann ein Sensor auch mit einem sehr geringen Durchschnitt verwendet werden, der gewährleitstet, dass kleinste Mengen an strömendem Medium durch die Phasenverschiebung der Signale der Drähte ermittelt wird. Dieses Messsignal erlaubt die Messungen sehr kleiner Massenströme.
Die vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass jeglicher Balgengaszähler über ein mit einem Zwei-Wege-Ventil in Verbindung stehenden Leckagedetektor versehen werden kann. Das erfindungsgemässe Leckagedetektionssystem ist in seiner Grundausführung auf alle sich im Einsatz befindenden Balgengaszähler anwendbar oder auch in Verbindung mit Gaszählern, die nach anderen Messprinzipien arbeiten. Wenn der Gasverbrauch auf null heruntergefahren ist, wie z. B. während der Nachstunden, schaltet das Ventil vom regulären Gaszähler auf die Detektionseinheit um, um feststellen zu können, ob kleine Leckageströme auftreten, die ausserhalb des Messbereich des Gaszählers liegen. Da der Messbereich des Sensors um mindestens eine Grössenordnung unter dem des Gasmeters liegt, ist so eine Leckagedetektion mit sehr kleinen Massenströmen möglich. Gleichzeitig soll das Gerät auch ausbaubar sein, um im unteren Bereich Gasabnahmemessungen durchzuführen. Hierdurch ist die Anlage vielfältiger einsetzbar. Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Figur 1 ein Diagramm des Heizenergiebedarfes in einem typischen
Haushalt;
Figur 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Anlage zur Detektion einer Leckage in einer Leitung eines strömenden Mediums;
Figur 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Gaszählers;
Figur 4 einen Querschnitt durch den Gaszähler gemäss Figur 3 entlang Linie IV-IV;
Figur 5 einen Querschnitt durch einen Gasleckagedetektor.
In Figur 1 ist der Heizenergiebedarf eines typischen Haushaltes zu erkennen. Deutlich wird, dass insbesondere ausserhalb der Heizperiode in der Zeit von 22 Uhr bis 5 Uhr morgens alle Geräte von der Gaszufuhr abgeschaltet sind. Dieser Zeitraum bietet sich vor allem zur Gasleckagendetektion an.
Bei der Anlage selbst, die gemäss Figur 2 die Leckagedetektion vornehmen soll, wird das strömende Medium in einer Leitung 1 von einer nicht näher gezeigten Quelle einem Verbraucher 2 zugeführt. Dabei ist in die Leitung 1 ein Zwei-Wege-Ventil 3 eingeschaltet, welches die Leitung 1 in zwei Zweigleitungen 4.1 und 4.2 aufteilt. Die Zweigleitung 4.1 führt zu einer Mengenmesseinrichtung 5, während die Zweigleitung 4.2 zu einem Sensor 6 führt. Entsprechende Ausgangsleitungen 7.1 und 7.2 aus der Mengenmesseinrichtung 5 und dem Sensor 6 vereinigen sich wieder zu einer Leitung 1.1 , an welche der Verbraucher 2 anschliesst.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
Als Beispiel für ein strömendes Medium soll Gas genommen werden. Der Verbraucher 2 ist z. B. ein Gasbrenner. Damit handelt es sich bei der Leitung 1, 1.1 um eine übliche Haushaltsgasleitung. In diese ist ein Gaszähler 5 als Mengenmesseinrichtung eingeschaltet. Dieser Gaszähler 5 weist ein Gehäuse 8 mit einer Anzeige 9 für die durchmessende Gasmenge auf. Dabei durchfliesst die Gasmenge einen sich düsenartig verjüngenden Kanalabschnitt 10 und nach dem Sensor 6 ein sich wieder erweiternden Kanalabschnitt 11 , wobei bei dieser „In-Line-Variante" der Sensor 6 sowohl die Messung des verbrauchten Gases als auch die Messung von Gasleckagen bei abgeschalteten Verbrauchern übernehmen könnte. Aus diesem Grunde ist die Engstelle zwischen dem sich verjüngenden Kanalabschnitt 10 und dem sich wieder öffnenden Kanalabschnitt 11 noch relativ gross.
Anders ist dies, wenn, wie in Figur 5, der Sensor 6 in einem separaten Gasleckagedetektor 12 vorgesehen wird. Dieser Gasleckagedetektor 12 ist vorgesehen, um parallel, beispielsweise in dem Bypass 4.2, 7.2 um den Gaszähler 5 herum angeordnet zu werden. Hierbei ist wiederum die düsenförmige Ausgestaltung des Gaszuführungskanals zu erkennen, wobei der Sensor 6 nahe der Stelle der grössten Einschnürung angeordnet ist. Hier beträgt der Durchmesser etwa 2 mm. Dem Sensor mit etwa 0,5 mm bis 2 mm Drahtlänge wird der Gasstrom in einem Mengenbereich von U > 5cm/s zugeführt. Gasmessungen von unter einem Liter pro Stunde werden so möglich.
Erfolgt eine normale Gasabnahme des Brenners 2, so fliesst Gas aus der Leitung 1 über das Ventil 3, die Zweigleitung 4.1 durch den Gaszähler 5, die Ausgangsleitung 7.1 und die Leitung 1.1 zu dem Brenner 2. Die Menge des verbrauchten Gases wird von dem Gaszähler 5 ermittelt.
Wird nun der Brenner 2 abgeschaltet und soll eine mögliche Leckage detektiert werden, so wird der Leckagedetektor 12 über die Abschaltung informiert. Fliesst jetzt trotzdem Gas, so wird dieser Fluss von dem Sensor 6 detektiert. Hierzu nutzt der Sensor eine Diffusions- und Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes. Ein dünner Draht wird periodisch erhitzt. Die abgegebene Wärme wird mit der Strömung des Gases stromabwärts getragen, wo ein weiterer Draht angebracht ist. Die Phasendifferenz des Sendesignals und des Empfangssignals, d. h. die zugehörige Zeit, wird ermittelt. Stellt sich eine Phasendifferenz heraus, so bedeutet dies, dass Gas durch eine undichte Stelle abströmt.
DR. PETER WEISS, DIPL-ING. A. BRECHT & DIPL.-FORSTW. PETRA ARAT
Patentanwälte European Patent Attomey
Aktenzeichen: P 3305/PCT Datum: 13.06.2006 W/GE
Bezugszeichenliste
Figure imgf000011_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion einer Leckage in einer Leitung (1 , 1.1) eines strömenden Mediums zu einem Verbraucher (2) mittels eines Sensors (6),
dadurch gekennzeichnet,
dass im Zustand der Abschaltung aller gasbetriebener Verbraucher (2) mit dem Sensor (6) eine Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung (1 , 1.1) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschaltetem Verbraucher (2) das strömende Medium über eine Mengenmesseinrichtung (5) und erst bei abgeschaltetem Verbraucher (2) über den Sensor (6) geführt wird.
3. Anlage zur Detektion einer Leckage in einer Leitung (1 , 1.1) eines strömenden Mediums zu einem Verbraucher (2) mittels eines Sensors (6), dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (6) eine Vorrichtung entsprechend der EP 1 038 160 vorgesehen ist.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leitung (1 , 1.1 ) zwischen dem Verbraucher (2) und einem Ventil (3) eine Mengenmesseinrichtung (5) eingesetzt ist, wobei der Sensor (6) in einem Bypass (4.2, 7.2) um die Mengenmesseinrichtung (5) vorgesehen ist.
PCT/EP2006/005657 2005-06-13 2006-06-13 Verfahren und anlage zur detektion einer leckage WO2006133892A1 (de)

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